CN203274798U

CN203274798U - 一种工程车辆多功能远程监控系统

Info

Publication number: CN203274798U
Application number: CN 201320231965
Authority: CN
Inventors: 高椿明; 周鹰; 邢鑫; 刘坚
Original assignee: 高椿明
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2023-05-02

Abstract

本实用新型公开了一种工程车辆多功能远程监控系统，它包括微控制器、光耦隔离器、信号提取模块、继电器、存储芯片、RSM3485、倾角传感器、读取黑匣子数据接插头、GPRS模块和GPS定位单元。信号提取模块分别连接到微控制器的I/O口，微控制器通过光耦隔离器与继电器相连，微控制器通过总线与存储芯片相连，微控制器的数据I/O口通过GPRS模块连接到中心服务器，微控制器通过GPS定位模块与定位天线相连，微控制器通过MAX3232与PC机相连，微控制器通过RSM3485分别与倾角传感器和读取黑匣子数据接插头相连。本实用新型监测功能多、可移植性强、灵活度高、并可扩展使用。

Description

一种工程车辆多功能远程监控系统

技术领域

本实用新型涉及一种远程监控系统，特别是涉及一种工程车辆多功能远程监控系统。

背景技术

目前，移动电站和吊管机等履带式工程车辆在油建项目中是不可或缺的重要组成部分。石油天然气建设公司每年都要在工程车辆的管理上投入大量的人力物力，但管理的效果并不是非常理想。对于现有的车载监控系统，虽然功能已经很丰富，系统较完善，但仍然无法满足各种工程车辆的应用需求。国内现有的车载远程监控系统，从功能上说不够全面，甚至有些较为单一。如申请专利号为200910098487所公布的“车载3G远程监控系统及监控方法”，即仅实现通过3G通信模块将视频或音频信号传输到监控终端3G手机或车载存储器；申请专利号为200920178504所公布的“旋挖钻机GPS远程监控系统”，则侧重于远程监控旋挖钻机的GPS定位信息；申请专利号为200810241370所公布的“一种远程监控方法、系统及监控终端”，则仅提出了将监控的数据上传至WEB服务端；申请专利号为200810052694所公布的“智能车载油量计量检测系统”，则侧重于通过计量泵监控柴油油耗；申请专利号为200810106392所公布的“车载智能继电器”，即仅提出了通过继电器实现对车辆的优化保护。

由于工程车辆远程监控系统要求监测常规车载监控系统所不能监测的一些特殊量，如耗油量、倾角信息、移动电站的电能量和吊管机的负荷量等，同时工程车辆在信息化、网络化、智能化等方面的要求也在不断提高。现阶段的用于工程车辆的远程监控系统还不是很完善，主要存在有以下不足:

1、功能单一，或者过于具有针对性，可扩展性低，无法满足客户各方面的需求；

2、机群化管理能力低，一个项目往往需要多台甚至几十台工程机械的配合作业，作业效率低；

3、可靠性、稳定性不足，无法在较恶劣的工作环境下稳定可靠的运行；

4、对设备失窃无法及时找回，容易造成损失。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供监测功能多、可移植性强的一种工程车辆多功能远程监控系统，它监控内容和功能的针对性强、作业效率高、稳定可靠且还可以GPS定位。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种工程车辆多功能远程监控系统，它包括微控制器、至少一个信号提取模块、光耦隔离器、继电器、存储芯片、总线隔离模块、倾角传感器、读取黑匣子数据接插头、GPRS模块、GPS定位模块、收发器和内部电源模块。各信号提取模块分别连接到微控制器的I/O口，微控制器通过光耦隔离器与继电器相连，微控制器通过总线与存储芯片相连，微控制器的数据I/O口通过GPRS模块连接到中心服务器，微控制器通过GPS定位模块与定位天线相连，微控制器通过总线隔离模块分别与倾角传感器和读取黑匣子数据接插头相连，微控制器通过收发器与PC机相连，内部电源模块与微控制器的电源端相连。

所述的信号提取模块包括油位信号提取模块、油压信号提取模块、水位信号提取模块、水压信号提取模块、报警信号提取模块、移动电站电能信号提取模块、吊管机负荷信号提取模块、耗油量信号提取模块和发动机转速信号提取模块，各信号提取模块分别连接到微控制器的I/O口。

所述的发动机转速信号提取模块由跟随整形电路、非线性光耦、整形电路、频率转换电压电路和电压信号调理电路组成，提取到发动机转速信号依次通过跟随整形电路、非线性光耦、整形电路、频率转换电压电路、电压信号调理电路与微控制器的I/O口相连。

所述的报警信号提取模块由数字开关、光耦隔离和整形电路组成，报警信号依次通过数字开关、光耦隔离、整形电路与微控制器的I/O口相连。

所述的移动电站电能信号提取模块，它由电压互感器、电流互感器和电能计度模块组成，电压互感器的负载电压输出端、电流互感器的负载电流输出端分别通过电能计度模块与微控制器相连。

所述的耗油量信号提取模块，它包括流量计A和流量计B，流量计A信号输出端与微控制器的I/O口相连，流量计B的信号输出端与微控制器的I/O口相连。流量计A通过发动机与流量计B相连。

流量计A包括变送器A、电流环电路A和电压调理电路A，电流环电路A的直流电输出端与变送器A的电源端相连，变送器A的电流信号输出端依次通过电流环路电路A和电压调理电路A与微控制器的I/O口相连。

流量计B包括变送器B、电流环电路B和电压调理电路B，电流环电路B的直流电输出端与变送器B的电源端相连，变送器B的电流信号输出端依次通过电流环路电路B和电压调理电路B与微控制器的I/O口相连。

吊管机负荷信号提取模块包括轴销式压力传感器和回转编码传感器，轴销式压力传感器和回转编码传感器的输出端与微控制器相连。

存储芯片包括铁电和至少一个FLASH，铁电和FLASH分别通过总线与微控制器相连。

本实用新型的有益效果是：

1）功能多、可移植性强，并且有针对性的监控内容和功能，如实时的油位信号、报警信号、倾角信息、燃油耗油量、GPS定位信息、通过GPRS上传数据、远程开关、移动电站的电能监测、吊管机的负荷监测、数据存储和无GPRS信号的处理等，减小监控系统的复杂度，并能扩展使用；

2）管理容易，有效避免一个项目需要多台甚至几十台工程机械配合作业的现象，有利于提高作业效率；

3）可GPS定位，在设备失窃时能及时将其找回，避免不必要的损失。

附图说明

图1为系统硬件的总体结构示意图；

图2为发动机转速信号提取模块结构示意图；

图3为报警信号提取模块结构示意图；

图4为倾角信息提取模块结构示意图；

图5为存储芯片结构示意图，实现数据的存储；

图6为对存储数据读取模块的结构示意图；

图7为流量计监测油耗的结构示意图；

图8为流量计监测油耗的硬件设计框图；

图9为移动电站电能监测的硬件设计框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

本实用新型选用MSP430F5438作为RTU主板上的微控制器MCU。

如图1所示，一种工程车辆多功能远程监控系统，它包括微控制器（MSP430F5438）、至少一个信号提取模块、光耦隔离器、继电器、存储芯片（铁电和FLASH）、总线隔离模块（RSM3485）、倾角传感器(LCA-326)、读取黑匣子数据接插头、GPRS模块、GPS定位模块、收发器和内部电源模块。信号提取模块包括油位信号提取模块、油压信号提取模块、水位信号提取模块、水压信号提取模块、报警信号提取模块、移动电站电能信号提取模块、吊管机负荷信号提取模块、耗油量信号提取模块和发动机转速信号提取模块，各信号提取模块分别连接到微控制器的I/O口，微控制器通过光耦隔离器与继电器相连，微控制器通过总线与存储芯片（铁电和FLASH）相连，微控制器（MSP430F5438）的数据I/O口通过GPRS模块连接到中心服务器，微控制器通过GPS定位模块与定位天线相连，微控制器通过TTL总线与总线隔离模块相连，总线隔离模块通过RS485总线与倾角传感器（LCA-326）相连，读取黑匣子数据接插头与倾角传感器（LCA-326）共用总线隔离模块的连接端口，微控制器通过收发器（MAX3232）与PC机相连，内部电源模块与微控制器的电源端相连。

采集到的直流电压模拟信号，采用模数转换（ADC）的方式将电压值量化。MSP430F5438本身有8个12位的AD转换接口，所以不需要额外加其他AD转换芯片就可以满足当前的量化需求，这样可以节约成本。因为直流电压信号本身是工程车上的信号，所以信号要进行隔离处理，信号的隔离采用光耦隔离。AD模块的参考电压设定为0V和2.5V，选用线性光耦可以同时解决光耦和线性缩放这两个问题。

如图2所示，发动机转速信号提取模块，它由跟随整形电路、非线性光耦、整形电路、频率转换电压电路和电压信号调理电路组成。发动机转速信号是Vpp=10V，频率为0到8KHz的正弦波信号。频率的高低反应出转速的快慢，转速越快频率就越高，所以这一路信号需对频率进行量化处理，为节约成本，提高430单片机的利用率，依然采用ADC的方式来量化。由于ADC只能对电压值进行有效的量化，所以这一路信号的核心问题就是将频率信号转化为对应的电压信号，此电路选用LM331芯片来实现这一功能。当LM331实现将频率信号转换为电压信号时，LM331的输入信号需是Vpp=24V，频率在0到10KHz的方波信号，所以要对发动机转速信号进行整形处理，将Vpp=10V的正弦波信号转化为Vpp=24V的方波信号。同时，该信号也要进行光耦隔离处理，光耦隔离的时候只需将频率信号传输过去，只要非线性光耦就能实现该频率的传输。综上，提取到的发动机转速信号分别通过跟随整形电路、非线性光耦和整形电路输出方波信号，该信号再经过频率转换电压电路转换成电压信号，电压信号经过电压信号调理电路的调理后传送到微控制器中。

如图3所示，报警信号提取模块包括数字开关（晶体三极管9014）、光耦隔离（非线性光耦TLP521）和整形电路DM7404，报警信号分别通过数字开关、光耦隔离和DM7404的整形后，将报警信号直接输入到MCU的I/O口，另外，在I/O口上设置中断，以便及时的将报警信号发送至服务器。

为防止无GPRS信号或其他问题，需将各信号提取模块的打包数据进行存储。存储芯片有两类，一类是铁电，铁电的特点是擦写次数多，多达10亿次，但存储容量小；另一类是FLASH，FLASH的特点是存储容量大，但擦写次数少。此远程监控系统同时采用铁电和FLASH对数据进行存储，其原理框图如图5所示。先将打包数据通过SPI存储在铁电中，待铁电存满后，再将这些数据通过SPI拷贝到FLASH里面，以达到存储次数多且存储容量大的特点。

为降低远程监测系统的成本及远程监测系统的复杂度，不再单独设置数据的读出接口，可通过倾角传感器的接口进行读取数据，如图6所示。单独设计一个读取黑匣子数据接插头，先将该接插头插到RSM3485CHT上，再将U盘插到接插头上。当U盘插在读取黑匣子数据接插头上时，将产生一个触发信号，位于铁电和FLASH（FLASH1和FLASH2）的数据将依次通过MCU，RSM3485CHT和读取黑匣子数据接插头持续的转发到U盘上。

如图7和图8是燃油油耗量检测的示图，发动机有两个输油管，一个是进油管，一个是出油管，分别在进油管和出油管安装流量计A和流量计B，利用这两个流量计的差就能测量出发动机的实际耗油量。电流环电路为变送器提供24V直流电，变送器在流经一定速度的液体时会向电流环电路返回4-20mA的信号。本方案中电流环电路主要是通过RCV420实现。RCV420是一种高精度电流环路接收器芯片，它将输入为4-20mA的电流信号转换为0-5V的电压信号，其转换精度为0.1%。为提高MSP430F5438的利用率，本方案选用MCU上自带的12位ADC模块。因为该模块的内部参考电压最大可以设置成2.5V，所以需要将电流环电路输出的0-5V电压信号通过电压调理电路等比压缩至0-2.5V再输入到MCU中。

如图9为移动电站电能检测的设计框图，发电机输出功率监测采用检测发电机负载电压和电流的方式，进而计算出发电机负载所消耗的电能。利用电压互感器检测发电机输出的三个相线电压，利用电流互感器检测三个相线的线电流，通过美国ADI公司的专业电能计度模块（ADE7758），转换为电能计量值，通过RS485接口输出到MCU。该电能计度模块可以测量负载的有功和无功功率。功率监测电路紧挨着发电机，因此对其抗干扰能力要求很高。

吊管机的负荷监测主要是通过获得吊管机吊重及力矩情况来实现。吊重监测，采用在吊臂支架上安装轴销式压力传感器。在起升、变幅绞车安装回转编码传感器，由此确定绞车变幅距离和吊臂离地距离，从而计算出负荷力矩。轴销式压力传感器采用全密封结构，输出为4-20mA电流环信号。该轴销式压力传感器检测起升钢缆受力的分量，通过计算，对应吊管机所吊物体重量。若该轴销式压力传感器结构损坏，起升钢缆拉直，不会产生严重问题。回转编码传感器与起升、变幅绞车中轴铰链，检测绞车旋转圈数及旋转角度，由此算出吊臂变幅及离地距离。回转编码传感器也采用4-20mA电流环输出信号。回转编码传感器结构损坏，也不会对吊管机的使用造成影响。

本实用新型的工作原理如下：各信号提取模块先进行模拟信号和数字信号的采集，包括油位信号、油压信号、水温信号、油温信号、发动机转速信号、报警信号、倾角信息及GPS定位信息等，采集到的监测数据传输到微控制器中，当有GPRS网络时，微控制器将采集到的监测数据通过GPRS模块打包上报、远传至中心服务器，同时也将该监测数据存储到存储芯片中；当无GPRS网络时，微控制器将采集到的监测数据存储到存储芯片中，待有GPRS网络时，再将存储芯片中的监测数据通过GPRS模块发送至远端中心服务器。数据上报时间可设，并设置遇报警信号优先处置机制，即出现报警信息就立马上传信息，同时也将其存储到存储芯片。当想通过U盘读取微控制器中的监测数据时，将U盘连接到读取黑匣子数据接插头，此时会产生一个触发信号，触发位于铁电和FLASH的数据依次通过微控制器、RSM3485CHT和读取黑匣子数据接插头持续的转发到U盘上。

Claims

1.一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：它包括微控制器、至少一个信号提取模块、光耦隔离器、继电器、存储芯片、总线隔离模块、倾角传感器、读取黑匣子数据接插头、GPRS模块和GPS定位模块；各信号提取模块分别连接到微控制器的I/O口，微控制器通过光耦隔离器与继电器相连，微控制器通过总线与存储芯片相连，微控制器的数据I/O口通过GPRS模块连接到中心服务器，微控制器通过GPS定位模块与定位天线相连，微控制器通过总线隔离模块分别与倾角传感器和读取黑匣子数据接插头相连。

2.根据权利要求1所述的一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：它还包括收发器，微控制器通过收发器与PC机相连。

3.根据权利要求1所述的一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：所述的信号提取模块包括油位信号提取模块、油压信号提取模块、水位信号提取模块、水压信号提取模块、报警信号提取模块、移动电站电能信号提取模块、吊管机负荷信号提取模块、耗油量信号提取模块和发动机转速信号提取模块，各信号提取模块分别连接到微控制器的I/O口。

4.根据权利要求3所述的一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：所述的发动机转速信号提取模块由跟随整形电路、非线性光耦、整形电路、频率转换电压电路和电压信号调理电路组成，提取到的发动机转速信号依次通过跟随整形电路、非线性光耦、整形电路、频率转换电压电路、电压信号调理电路与微控制器的I/O口相连。

5.根据权利要求3所述的一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：所述的报警信号提取模块由数字开关、光耦隔离和整形电路组成，报警信号依次通过数字开关、光耦隔离、整形电路与微控制器的I/O口相连。

6.根据权利要求3所述的一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：所述的移动电站电能信号提取模块，它由电压互感器、电流互感器和电能计度模块组成，电压互感器的负载电压输出端、电流互感器的负载电流输出端分别通过电能计度模块与微控制器相连。

7.根据权利要求3所述的一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：所述的吊管机负荷信号提取模块包括轴销式压力传感器和回转编码传感器，轴销式压力传感器和回转编码传感器的输出端分别与微控制器相连。

8.根据权利要求3所述的一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：所述的耗油量信号提取模块，它包括流量计A和流量计B，流量计A信号输出端与微控制器的I/O口相连，流量计B的信号输出端与微控制器的I/O口相连。

9.根据权利要求8所述的一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：所述的流量计A包括变送器A、电流环电路A和电压调理电路A，电流环电路A的直流电输出端与变送器A的电源端相连，变送器A的电流信号输出端依次通过电流环路电路A和电压调理电路A与微控制器的I/O口相连。

10.根据权利要求8所述的一种工程车辆多功能远程监控系统，其特征在于：所述的流量计B包括变送器B、电流环电路B和电压调理电路B，电流环电路B的直流电输出端与变送器B的电源端相连，变送器B的电流信号输出端依次通过电流环路电路B和电压调理电路B与微控制器的I/O口相连。